淺析風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在結(jié)冰工況下覆冰質(zhì)量計(jì)算

高 鵬 孫 塽 席 莉 劉雨佳 何 川 呂 娜

(湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南株洲 412000)

引言

一個(gè)國家發(fā)展的根本方向，必然是減少消耗，降低污染，提高群眾居住條件，使得生產(chǎn)生活和自然環(huán)境互不矛盾。21世紀(jì)是一個(gè)節(jié)能減排的時(shí)代，其中，能源的節(jié)能減排顯得非常重要。一九七三年爆發(fā)石油危機(jī)后，許多發(fā)達(dá)國家把目光投向了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。在幾十年后的今天，歐美國家通常擁有數(shù)十種風(fēng)力發(fā)電體系，在市場經(jīng)濟(jì)作用下日益壯大。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)冰的原理

和傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比，風(fēng)力發(fā)電機(jī)器極大地降低能源消耗、減少人力參與、適用風(fēng)能資源豐富地區(qū)等特點(diǎn)。在中國和海外，這種新型技術(shù)已經(jīng)遍及世界，為我們國家減少能源消耗、減少能源輸入做出了巨大貢獻(xiàn)。然而，我們都知道，如果發(fā)電機(jī)的功率越大，風(fēng)機(jī)塔筒的高度就會越高。這樣容易受惡劣氣候條件影響，風(fēng)機(jī)葉片就會累積一定厚度的冰。[1]

二、風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)階段的參數(shù)

惡劣氣候的來臨，機(jī)器葉片很容積累積冰層，從而引發(fā)機(jī)器外觀變形，葉片在工作的時(shí)候就會出現(xiàn)失靈的現(xiàn)象，不容易受到人工控制。除此以外，累積的冰片數(shù)量增加以后，進(jìn)一步使得機(jī)器失衡，引發(fā)機(jī)器內(nèi)部的系統(tǒng)崩壞，機(jī)器整體性能大幅下降，風(fēng)機(jī)的危險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)一步增加。因此，我們必須深刻重視風(fēng)機(jī)的覆冰問題。我們現(xiàn)在還缺乏先進(jìn)的抗覆冰技術(shù)，在氣候探測方面還不能十分精確，所以風(fēng)機(jī)的結(jié)冰現(xiàn)象還不能完全消除，我們只能做好前期的設(shè)計(jì)來預(yù)防機(jī)器失靈。

葉片覆冰載荷：

1.根據(jù)筆者實(shí)際操作的風(fēng)力發(fā)電機(jī)KD2325的設(shè)計(jì)參數(shù)，啟動風(fēng)機(jī)工作以后，我們做兩種不同的假設(shè)，全部葉片覆冰和雙葉片覆冰兩種情境。目前覆冰的所有設(shè)計(jì)參數(shù)幾乎來源于風(fēng)機(jī)葉片最前部分，具體地來說，這個(gè)部分就是從風(fēng)輪標(biāo)準(zhǔn)線到風(fēng)輪半徑區(qū)域內(nèi)，這一段區(qū)域內(nèi)由0線性變化為E，半徑范圍R～R延伸到了E，筆者寫入[1]：E=Ekcmincmax+cmin!"!(1)，假設(shè)E葉片最前部分半徑外覆冰的質(zhì)量單位(每千克一米)；最大弦長單位為一米；接著進(jìn)行葉片輪廓線性計(jì)算(米為單位)；E冰的密度(千克每立方)。k=0.00675+0.3exp-0.32RR1!"其中，R為風(fēng)輪半徑，R1=1m。

2.風(fēng)力電機(jī)可以極大地降低建筑能耗，所以在現(xiàn)代很多的地區(qū)中格外地重視這一項(xiàng)技術(shù)，很多工廠也在嘗試改良這一方法。因?yàn)楦脖鞘艿降厍蛑亓τ绊懙模粤Φ姆较虿⒉灰粯樱膊荒墚a(chǎn)生其他方向的作用力。這里我們可以對地球重力可以忽略不計(jì)。啟動風(fēng)機(jī)工作以后，葉片也會正常工作，其中一個(gè)葉片覆冰的慣性力可以用式子表達(dá)出來：F慣=mR冰2!除了所有葉片覆冰的情況，我們可以歸納其他的葉片情況。三葉片結(jié)冰的時(shí)候，整個(gè)機(jī)器的狀態(tài)沒有受到大的改變，這是由于三個(gè)葉片結(jié)冰，就衍生了我們圖片中的，呈圓周對稱分布的慣性力，他們的合力為零，沒有其他的加速度；但是如果有雙葉片發(fā)生了覆冰，它們的慣性力就沒有對稱，合力也發(fā)生了改變，從而引發(fā)了加速度，于是風(fēng)機(jī)在惡劣的氣候條件下就不能再正常運(yùn)行。(見圖1)。[2-3]

從上面的圖片我們可以得出，風(fēng)機(jī)在朝向Y的時(shí)候出現(xiàn)了阻力。如果雙葉片的覆冰質(zhì)量快要一致的時(shí)候，慣性力就會變成合力，使得機(jī)器不再平穩(wěn)。我們可以得出的結(jié)果是：(1)如果兩個(gè)風(fēng)機(jī)葉片同時(shí)覆冰，機(jī)艙就生出了Y向的周期加速度aY。(2)葉片覆冰質(zhì)量m很大程度上影響了機(jī)艙加速度aY，這是因?yàn)镕阻是被動力，風(fēng)機(jī)發(fā)生晃動就會產(chǎn)生這個(gè)力。

三、結(jié)束語

資源緊缺是全球性的問題。21世紀(jì)以來，國際能源爭端此起彼伏，也是綜合國力競爭的重要因素，能耗過大對于國家是極為不利的。風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，離不開有效的覆冰質(zhì)量計(jì)算，兩者只有相結(jié)合使用才能發(fā)揮最大的功效，才能日益凸顯出風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的優(yōu)越性。現(xiàn)如今，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)在使用過程中要大力推廣覆冰質(zhì)量計(jì)算的理論研究，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)資源節(jié)能。